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1、第16卷第10期 2004年10月计算机辅助设计与图形学学报 JOURNAL OF COMPUTER2AIDED DESIGN 基于Lab均匀色彩空间与规则几何框架构建色彩调和工具;构建面向行业的色彩设计知识库;应用综合模糊评价的方法进行色彩设计评价1 基于上述策略和技术,开发了CAID色彩设计系统框架,并将该系统应用于机床产品设计中1关键词 CAID;色彩设计;色彩空间;色彩调和中图法分类号 TP391Color Design System for Computer2Aided Industrial DesignWang Ke Yu Suihuai Yue Wande Lu Changde(
2、 College of Mechanical and Electrical Engineering , Northwestern Polytechnical University , Xian 710072)Abstract To remedy the deficiency of current color design tools , a new software strategy to tacklethe issue of product color design is proposed1New approaches include : constructing special color
3、 paletteto get metal , plastic and other specific color polish ; constructing a perceptually uniform color space ofLab and using regular geometric frame to achieve color harmony; constructing color knowledge base fora specific industry; and applying integrated fuzzy methods to evaluate the result of
4、 color design1A pro2totype CAID color design system was developed with a case of machine tool color design as example1Key words computer2aided industrial design(CAID) ; color design ; color space ; color harmony1 引 言计算机辅助工业设计(Computer2Aided IndustrialDesign ,CAID)包括工业设计的各个方面,涉及到产 品的形态设计、 色彩设计、 人机设计、
5、 装饰设计以及 设计评价等11 其中,色彩设计在CAID系统中占 有重要的地位1 在色彩原理和人类视觉心理学研究的基础上, 人们建立了工业设计中的色彩设计理论1 随着计算机技术的普及和发展,计算机辅助色彩设计工具应 运而生1 虽然目前主流的CAID解决方案有许多种, 但面向工业设计的专业的产品色彩设计软件系统非 常少见,仅有一些产品设计软件带有色彩设计模块 或工具,且功能十分薄弱,只提供了基本的调色和赋 色工具,很少具有系统的色彩设计辅助功能1 所以,不论是在CAID技术的研究方面还是在CAID色彩设计软件系统的开发方面,众多空白急 待填补,探索真正意义上的CAID专业化色彩设计 理论和色彩设
6、计系统是本文研究的目标12 问题的提出尽管色彩设计理论和方法形成了一定的体系, 但其大部分基于形象思维,许多描述是感性的、 模糊的,数理基础较差,很难模型化,这是阻碍计算机辅 助色彩设计发展的重要原因21 目前,国内外在计算机辅助色彩设计方面还缺 乏系统的研究,在软件系统的应用中更缺少成功的 范例1 计算机辅助色彩设计存在的主要缺点有:(1)选色器的构造复杂,功能单一1 现有软件系统中选色工具的基础模型复杂3,使缺乏色度学知 识的用户感到困惑,不易找到需要的颜色;选色往往 针对单一、 孤立的色彩进行操作,其结果是不同的色 彩之间不容易调和;选色器缺乏对色彩整体风格的辅助,选中的色彩与预想存在差
7、异1 (2)缺乏面向特定行业的色彩设计系统1 面对不同行业的用户,色彩设计工具没有针对性1 用户 在进行色彩设计时,不能从软件系统中获得本行业 的色彩设计知识指导,对本行业经常使用到的特殊色彩,无法方便、 快速地获得1 (3)软件系统的 “设计” 功能薄弱1 现有的CAID系统中,色彩设计部分的功能通常十分薄弱,仅仅向 用户提供了基本的调色和赋色工具,很少具有色彩 设计的辅助功能1 没有从工业设计的思想和方法上给用户以帮助,无法体现出工业设计的特点13 系统构建通过分析现有色彩设计工具的研究现状和不足,本文根据工业设计的理论和方法,从色彩选取、 色彩调和、 色彩设计知识库和色彩设计评价4个方
8、面展开研究1 图1所示为CAID色彩设计系统的信息流程 图1整个色彩设计过程以色彩方案设计为中心,通过选色器、 色彩调和器、 色彩设计知识库的辅助,获得 色彩方案1 最后,运用多级模糊综合评价方法对色 彩方案进行评价1 如果对设计结果满意,则输出色 彩设计方案,将色彩配置到产品模型上;否则,重新 退回到上面的色彩设计过程1其中,用户可以使用4种方式选择色彩方案1 (1)使用选色器选择色彩方案中的各种颜色1(2)主色通过选色器选取,各个辅色通过主色驱动的色彩调和器得到1(3)使用基于均匀色彩空间的色彩调和器,通过调整几何调和框架的参数,得到调和的色彩方案1 (4)从色彩设计知识库中直接选取合适的
9、色彩或色彩方案1图1 CAID色彩设计系统信息流程图4 核心技术研究411 面向特殊色彩的选色器 单一色彩的选取是色彩方案设计的基础,色彩 设计系统中选色器的构建非常重要1 在选色过程 中,某些特殊的颜色,如金属色、 塑料色的选取具有 一定难度1 如果向用户提供具有特殊色彩选择机制的选色器,则能够直接提高色彩设计的效率和效果1 除了金属色和塑料色外,特殊色彩的范围可以扩展 到植物色、 泥土色、 人的肤色、 唇色等1 为了方便地提取不同个体事物所具有的相似 色,常常需要建立特殊用途的色彩空间1 计算机中各种新颜色空间多是基于YUV空间建立的,即将 颜色分成亮度、 饱和度、 色相三维分量1 一般亮
10、度的 分量是固定的,而饱和度与色相可以根据需要变化, 即对饱和度与色相构成的二维平面相位角进行变 换1可以根据这种思想,建立适合自己需要的色彩空间1 下面以肤色为例进行说明1RGB空间向YUV空间的转换矩阵为YUV=012990158701114-01147-012890143601615-01515-01100RGB(1)人的肤色在YUV空间中处于105 150 之 间,经试验肤色坐标系的主轴V 定位在114 时效果 最佳,相应地,U 轴定位在2441 其数学关系式为U= Vsin 24+ Ucos 24V= Vcos 24-Usin 24(2)6241计算机辅助设计与图形学学报2004年由
11、式(1) ,(2)进行推导,可以得到RGB色彩空 间到肤色空间YUV 的转换公式YUV=01299015870111401115-014730135801620-01532-01268RGB1412 均匀色彩空间调和器 使用软件对产品进行色彩设计时,获得调和的 色彩设计方案是用户的基本需求1 但色彩的调和在 理论和实践中都是很困难的工作,因为人们对色彩 审美的要求往往同时表现在视觉与心理需求两方面1色彩心理本身包含极其复杂的因素,因此很难对 色彩调和的原则作出定论51 然而在现实中,人们 又承认色彩有调和与不调和的感觉,并且经常用 “调 和” 这样的字眼来评价色彩1 本文根据孟赛尔色彩调和理论
12、,构建了色彩调和的几何框架,通过调整几何框架的形状、 位置、 角 度、 均匀色彩空间色点密度等参数,确定调和框架顶 点和Lab均匀色彩空间的映射,最终获得调和的色 彩设计方案;并在此基础上,开发CAID软件系统中 的色彩调和工具,从而提高了寻找调和色彩组合的效率141211 Lab均匀色彩空间 为了使各种颜色能按照一定的排列次序放置在 一个空间内,将三维坐标轴与颜色的三个独立参数 对应起来,使每个颜色都有一个对应的空间位置1相反,空间中的任何一点都代表一个特定的颜色,这 个空间称为色彩空间1 通常使用的RGB色彩空间, 其几何距离的变化与人眼视差的变化不成比例,这 说明人眼对颜色的分辨能力与R
13、GB色彩空间不成 正比1 研究人员对于这一问题已经做了许多研究,并提出了均匀色彩空间的概念1 顾名思义,均匀色 彩空间就是相对于人眼辨色率均匀的色彩空间,其 坐标内的等距离意味着等色差1Lab色彩空间是由国际照明委员会(CommissionInternational delEclairage ,CIE)于1976年公布的一种色彩模式1 在Lab色彩空间中,颜色之间视觉上 的距离与颜色坐标上的欧几里德距离成正比,因此 具有一定距离的两点之间的色彩是均匀分布的,符 合人眼对色彩的感觉141212 几何调和框架孟赛尔色彩调和理论提到:“色彩空间中的任何 路径,以及它之外的路径,如果它们的形状和间距排
14、 列是秩序的,就会得到一系列调和的色彩,这些色彩 一起使用时,就能获得我们在色彩关系中寻找的令人愉快的感觉” 16 根据这一原理,在均匀色彩空间中,布置形状规 则、 秩序的几何框架,将几何框架的顶点与均匀色彩 空间中的颜色映射,获得一一对应的色彩值1 由于 在均匀的色彩空间中色点分布均匀,因此几何框架所具有的约束会保留,即组成了调和的色彩方案1 图2所示为一些不同形状的色彩调和几何框架1 几 何框架的形状具有秩序性,不同的形状对应不同色 彩数量,几何框架的顶点与色彩空间中的色点映射, 便可以得到调和的色彩方案1图2 色彩调和的几何框架从Lab均匀色彩空间的特性出发,通过不同的 算法将均匀色彩空
15、间可视化,并对比其性能表现1 图3所示为使用Visual C +为开发平台,OpenGL为图形平台绘制的Lab均匀色彩空间及调和框架1 图3中三角形的调和框架对应三色方案,几何框架 的边长以及在Lab色彩空间的位置、 转角等参数均 可调1 当调和框架最终在色彩空间中定位,它们的 位置就定义了真实的色彩1 框架上各个顶点所对应的颜色,就构成了最终的调和色彩方案1图3 Lab色彩空间及调和框架示意图413 行业色彩设计专家系统 色彩设计是一门建立在众多学科之上的综合性 学科,涉及到诸如色度学、 光学、 美学、 工程学等多学 科的理论和技术,而且色彩设计的问题大多是模糊 的,难以量化和模型化1 然而
16、,色彩设计具有行业性、 地域性和时间性,并且色彩设计专家在各个方面 积累了丰富的技术和经验,对于这些问题的处理,专 家系统是较好的选择1724110期王 可等:面向计算机辅助工业设计的色彩设计系统建立专家系统,可以在分析产品语义性心理性 色彩设计方法的基础上,将产品的色彩设计问题模 型化1 同时,采集和整理产品色彩设计知识,提出有 效的知识表示方法,并在此基础上提出产品色彩设 计知识库的构建方案,解决知识库的建立与维护、 基于规则的推理及冲突解决等问题1 知识表达的方法有多种,其中面向对象的知识 描述方法具有与现实相似的特点,并且知识表达功 能强大1 采用面向对象的方法对色彩设计知识的规 则表示进行封装,便于对知识的表示方法进行扩充和建立知识库21 下面是一种有效地采用黑板系统 结构的色彩专家系统1 知识与推理机的对象化,实 现了知识与推理机相分离1 图4所示为色彩设计专家系统中主要类的结构 图1 其中,知识库类CKnowledgeBase是色彩设计知识库的抽象,它将色彩设计的知识划分
